《微型计算机论》word版

1、计算机指令系统与中国CPU的发展 陈永羽 20061102103 信管 FH一班本学期我们大致了解了一些微型计算机的基本原理，包括微机处理器、微型计算机和微型计算机系统的定义、微处理器的发展概况，以及微机处理器的分类。其中我们比较全面的学习了指令系统一 计算机指令系统1 计算机指令系统的发展计算机的程序是由一系列的指令组成的,指令就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说, 计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。指令系统是指: 一台计算机中所有机器指令的集合, 它是表征一台计算机性能的重要因素, 其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构, 也直接影响到系统软件, 影响到机

2、器的适用范围。指令系统的发展经历了从简单到复杂的演变过程, 20 世纪50 年代: 指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令; 20 世纪60 年代后期: 增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令,指令数目多达一二百条, 寻址方式也趋多样化;20 世纪70 年代末期:大多数计算机的指令系统多达几百条。我们称这些计算机为复杂指令系统计算机(CISC)。但是如此庞大的指令系统难以保证正确性, 不易调试维护, 造成硬件资源浪费。为此人们又提出了便于VLSI 技术实现的精简指令系统计算机( RISC) 。指令系统是计算机体系结构最基本的特征。早期,人们采用微程序设

3、计技术让指令系统变得日趋复杂, 后来逐渐认识到这种复杂指令系统计算机(CISC)并不能很好的提高系统性能,于是设计师们提出了精简指令系统计算机(RISC)体系结构,并在一个芯片上实现了CPU。随着RISC 微处理器迅速发展, 人们又发现RISC 指令系统并不能充分实现指令级并行处理,从而影响了计算机性能的进一步提高,又出现了超长指令字(VLIW)计算机指令系统。2 计算机指令系统的研究1 指令系统简介在计算机指令系统的优化发展过程中, 出现过两个截然不同的优化方向: CISC 技术和RISC 技术。CISC 是指复杂指令系统计算机(*plex Instruction Set *puter);

4、RISC是指精减指令系统计算机(Reduced Instruction Set*puter)。这里的计算机指令系统指的是计算机的最低层的机器指令, 也就是CPU 能够直接识别的指令。随着计算机系统的复杂, 要求计算机指令系统的构造能使计算机的整体性能更快更稳定。最初, 人们采用的优化方法是通过设置一些功能复杂的指令, 把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现, 以此来提高计算机的执行速度, 这种计算机系统就被称为复杂指令系统计算机, 即plex InstructionSet puter, 简称CISC。另一种优化方法是在20 世纪80 年代才发展起来的, 其基本思想是尽量简化计

5、算机指令功能, 只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令,而把较复杂的功能用一段子程序来实现, 这种计算机系统就被称为精简指令系统计算机。即Reduced Instruction Set puter, 简称RISC。RISC 技术的精华就是通过简化计算机指令功能, 使指令的平均执行周期减少, 从而提高计算机的工作主频, 同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速度。2 RISC 的提出采用复杂指令系统的计算机有着较强的处理高级语言的能力. 这对提高计算机的性能是有益的。1979 年以帕特逊教授为首的一批科学家也开始在美国加册大学伯克莱分校开展这一研究。结果表明, CISC 存在许多缺点

6、。首先,在这种计算机中, 各种指令的使用率相差悬殊:一个典型程序的运算过程所使用的80% 指令,只占一个处理器指令系统的20% , 事实上最频繁使用的指令是取、存和加这些最简单的指令,这样一来, 长期致力于复杂指令系统的设计, 实际上是在设计一种难得在实践中用得上的指令系统的处理器。同时, 复杂的指令系统必然带来结构的复杂性, 这不但增加了设计的时间与成本还容易造成设计失误。此外, 尽管VLSI 技术现在已达到很高的水平, 但也很难把CISC 的全部硬件做在一个芯片上, 这也妨碍单片计算机的发展, 在CISC 中, 许多复杂指令需要极复杂的操作, 这类指令多数是某种高级语言的直接翻版, 因而通

7、用性差. 由于采用二级的微码执行方式, 它也降低那些被频繁调用的简单指令系统的运行速度。因而, 针对CISC 的这些弊病,帕特逊等人提出了精简指令的设想即指令系统应当只包含那些使用频率很高的少量指令, 并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言, 按照这个原则发展而成的计算机被称为精简指令集计算机(Reduced Instruction Set *puter-当前计算机发展的主流是什么呢？国内外比较一致的看法是 RISC RISC是精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set *puter）的英文缩写。所谓指令系统计算机所能执行的操作命令的集合。程序最终要变成指令的序列

8、，计算机能执行。计算机都有自己的指令系统，对于本机指令系统的指令，计算机能识别并执行，识别就是进行译码把代表操作的二进制码变成操作所对应的控制信号，从而进行指令要求的操作。一般讲，计算机的指令系统约丰富，它的功能也约强。RISC系统将指令系统精简，使系统简单，目的在于减少指令的执行时间，提高计算机的处理速度。传统的计算机一般都是每次取一条指令，而RISC系统采用多发射结构，在同一时间发射多条指令，当然这必须增加芯片上的执行部件。 二 迅速崛起的中国CPU随着网络时代的到来，网络通信、信息安全和信息家电产品将越来越普及，而CPU正是所有这些信息产品中必不可少的部件。根据使用范围的不同，CPU可分

9、为通用CPU和嵌入式CPU。通用CPU主要用作计算机（如PC等）的处理器，具有较强的通用性，要求有较强的运算和处理能力、较大的存储器寻址空间和较快的存储速度。Intel公司的X86系列CPU是最具代表性的。而中国的CPU又处在一种怎么样的发展形势呢？下面我们介绍中国CPU的发展CPU 微电子中国芯CPU是计算机的心脏，包括运算部件和控制部件，是完成各种运算和控制的核心，也是决定计算机性能的最重要的部件。CPU从最初发展至今已二十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及正在酝酿构建的64位微处理器，可以说个人电脑的

10、发展是随着CPU的发展而前进的。1、中国CPU的发展足迹在改革开放二十几载后，我们的综合国力有了质的飞跃，虽然现在仍然不能和西方发达国家相比，但也已经不再是紧巴巴的过日子了。我国的电脑产业也在市场和政策的双重推动下有了长足的发展，尤其是电脑产品制造业，广东的深圳、东莞，江苏的苏州工业园以及上海地区形成了中国微电子（包括电脑产品的生产）产品生产的两大基地。现在在国内销售的各种品牌的电脑产品有80以上都是上述地方生产的。电脑产品生产制造业在国内迅速兴起，在很大程度上推动了电脑核心技术的研发（说的专业一些就是计算机核心技术）。这其中最具突破性的成果就是国产民用处理器的研制成功。“我国首枚实用化32位

11、CPU芯片方舟-17月8日在京通过专家鉴定。这一微电子与计算机领域的重大突破，改写了我国信息产业无芯的历史”。这是2001年7月11日人民日报科教.经济.文化版的报道。消息一经公布，在当时立刻掀起了非常大的波澜，确切些说是风暴。不论是舆论还是普通民众都将溢美之词毫不保留的全部献给了“方舟-1”处理器。作为中国人，这是非常值得骄傲的，尽管它仅仅是嵌入式处理器，尽管它的应用范围只在银行、网络计算机等领域，亦尽管它的性能连当时的奔腾200MMX处理都无法相比。但无论如何，它是中国的，是属于中国人自己的“芯”。同时也表明，中国将降低对外国CPU的依赖程度。当然，他的性能无法与现在的Intel、AMD的

12、CPU生产大鳄相比，但“方舟-1”让我们看到了希望。一种能够用上“中国芯”的希望。“方舟-1”嵌入式处理器正式发布之后，“中国芯”就犹如雨后春笋般冒了出来。在2001年到2005年这短短的近4年时间里，先后就有“星光”、“汉芯、“龙芯”、“万通一号”、“众志”等十几款国产处理器发布，这种情形可以用欣欣向荣来形容。如此之多的国家CPU发布，虽然令国人为之振奋，为之骄傲。来看看这些年来国产CPU的发展历程吧。星光一号：2001年3月问世，是第一个打进国际市场的中国芯片。星光二号：2002年5月问世，是全球第一个音频视频同体的图像处理芯片。星光三号：2002年9月问世，是中国第一块具有CPU驱动的图

13、像处理芯片。星光四号：2003年2月问世，是中国第一块移动多媒体芯片。星光五号：2003年6月中星微电子公司正式发布数字多媒体芯片“星光五号”，并宣布“星光五号”已经成功实现产业化，被国际知名品牌罗枝、惠普、创新科技、三星、富士通等大量应用。随着国际知名品牌大规模应用“星光五号”，“星光”系列芯片在世界同类芯片中已占据绝对领先的市场份额。这是中国芯片业的历史性突破，标志着中国芯片已经在某些领域进入世界领先行列。北大众志：2003年12月8日，北大众志-863系列的CPU系统芯片由北京大学微处理器研究开发中心研制成功。北大众志CPU系统芯片分别了采用0.25微米和0.18微米的工艺流片。同时在内

14、部集成了32位定点微处理器、64位浮点协处理器，芯片规模达到800万晶体管，为我国最大规模的CPU系统芯片。湖南中芯：2003年10月23日，我国第一片具有完全自主知识产权的数字图像与视频压缩编码解码芯片诞生。万通l号：2003年9月25日，可应用于公共服务、企业用户、校园网、政府机构、家庭及个人用户的芯片诞生。方舟1号：2001年7月8日，在中国专家的鉴定下正式发布。方舟2号：2003年8月11日，海淀区的电子政务领域正式推广使用具有我国自主知识产权芯片的网络计算机。S698：2003年5月，全国首家系统级芯片（SoC）设计平台日前在哈工大微电子中心搭建成功。神州龙芯：20O3年3月5日开始

15、收尾，是从去年推出的32位、266兆赫版本改进而来，它针对的是嵌入系统市场。2、中国CPU面临着严峻的考验中国CPU还远远未能在民用市场争得一席之地是我们不得不面对的事实。用在对处理器要求较低的网络计算机、银行、交通监控等领域，因为这些处理器的性能根本就无法与Intel和AMD的处理器在PC或服务器领域一争雌雄。因此，其无法进入主流也是必然的了。这部分市场是CPU市场利润最大的一部分。当然，性能低的处理器在目前还是有它一定的市场的，就如前述应用领域一样。并且这部分市场在Intel和AMD、VIA的处理器研发大厂视线之外，所以这也是给国产处理器一个非常大商业契机，并且随着家电智能化、网络化，这种

16、性能较低，价格低廉的国产处理器的市场前景也还是不错的。但像你我这样的普通市民什么时候能用上我们所说的“中国芯”呢？对于中国CPU市场而言，中国CPU产业危机与希望同在，挑战与机遇并存。对于政府而言，应借鉴世界各国反垄断的先进经验，尽快制定反垄断法，目前要用好政府采购法，进一步规范招投标，奉行“第二供应商”原则，对此我们称之为“规范促竞争”。对于厂商而言，鼓励大力进行技术创新的同时，也要想办法破解Wintel联盟，因此积极发展Linux CPU和嵌入式CPU，建立以我为主的产业联盟也需摆上日程。对此，我们称之为“创新促竞争”。对于用户而言，要积极倡导新一代CPU的TPI标准，倡导锋欺颜咧魁”为主导的先进商业模式，让用户选择真正